WO2019225110A1 - ステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置 - Google Patents

ステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置 Download PDF

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stage
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宗大 高橋
孝宜 加藤
渡部　成夫
博紀 小川
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株式会社日立製作所
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    • H01J2237/202—Movement
    • H01J2237/20278—Motorised movement

Definitions

  • the present disclosure relates to a stage device, a charged particle beam device, and a vacuum device.
  • Patent Document 1 describes a device stage assembly that moves a device relative to a mounting base.
  • the conventional device stage assembly includes a device stage, a mover housing, a support assembly, and a control system (see the same document, claim 1 and the like).
  • the device stage holds the device.
  • the support assembly includes at least four spaced Z device stage movers connected to the device stage to move the device stage relative to the mover housing.
  • the control system controls the Z device stage moving device so as to suppress the deformation of the device stage during the movement of the device stage by the Z device stage moving device.
  • the Z device stage moving device includes a magnet and a conductor, and the current passing through the conductor causes the conductor to interact with the magnetic field of the magnet and generate a force (Lorentz force) between the magnet and the conductor.
  • This Z device stage moving apparatus selectively moves and supports the device stage along the Z axis, around the X axis, and around the Y axis (see the same document, paragraphs 0058 to 0061, etc.). .
  • the device stage assembly includes a stage moving assembly (see the same document, paragraph 0028, etc.).
  • the stage moving assembly includes a mover housing, a guide assembly, a fluid bearing, a magnetic bearing, or a roller bearing, and moves the mover housing in the X-axis direction and the Y-axis direction (the same document, paragraphs 0035 to 0040). Etc.).
  • the control system controls the stage moving assembly and the support assembly to accurately position the device stage and device (see the same document, paragraph 0078, etc.).
  • a stage device such as the conventional device stage assembly is used to accurately position the semiconductor wafer.
  • a stage device for example, in order to shorten the positioning time of the semiconductor wafer, high speed and high speed of positioning are required.
  • the Z device stage moving apparatus becomes large and the magnetic field leaks. Increase.
  • the leakage of the magnetic field in the stage apparatus causes distortion of the electron beam in a charged particle beam apparatus such as an electron microscope, for example, and lowers the electron beam irradiation system.
  • This disclosure provides a stage device, a charged particle beam device, and a vacuum device that can increase the speed and acceleration of positioning and can suppress leakage of a magnetic field.
  • One aspect of the present disclosure includes a support stage that supports an object to be positioned, a floating mechanism that floats and positions the support stage by magnetism, and supports the floating mechanism on a plane in a moving direction along the plane.
  • a moving stage wherein the moving stage has a thrust applying portion that protrudes toward the support stage, and the support stage moves in the moving direction with respect to the thrust applying portion.
  • a thrust receiving portion opposed to the thrust receiving portion, and when the moving stage moves in the moving direction and the thrust applying portion comes into contact with or approaches the thrust receiving portion, the thrust applying portion receives the thrust receiving portion.
  • the stage device is configured to apply a thrust in the moving direction to the part.
  • a stage device a charged particle beam device, and a vacuum device that can increase the speed and acceleration of positioning and can suppress leakage of a magnetic field.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the stage apparatus shown in FIG. Sectional drawing which follows the III-III line of the stage apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the operation of the stage apparatus shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the stage apparatus shown in FIG. 5.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus according to a modification of the stage apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus according to a modification of the stage apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus according to a modification of the stage apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus according to a modification of the stage apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor measuring device including the stage device shown in FIG. 2.
  • a typical sectional view showing an example of the conventional stage device.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a stage apparatus 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the stage apparatus 100 shown in FIG.
  • the stage apparatus 100 of the present embodiment is an apparatus for performing positioning of an object such as a wafer with high accuracy and high speed in a semiconductor manufacturing apparatus or an inspection apparatus, for example.
  • the stage apparatus 100 of the present embodiment mainly has the following configuration.
  • the stage apparatus 100 includes a support stage 10 that supports an object to be positioned, a levitating mechanism 20 that levitates and positions the support stage 10 by magnetism, and supports the levitating mechanism 20 on a plane and moves along the plane. And a moving stage 30 that moves in the direction.
  • the moving stage 30 has a thrust applying portion 36 that protrudes toward the support stage 10.
  • the support stage 10 has a thrust receiving portion 11 that is opposed to the thrust applying portion 36 with an interval in the moving direction of the moving stage 30.
  • the thrust applying unit 36 applies the thrust in the moving direction to the thrust receiving unit 11. It is configured as follows.
  • each configuration of the stage apparatus 100 of the present embodiment will be described in detail.
  • each part may be described using an XYZ orthogonal coordinate system in which a plane parallel to the moving direction of the support stage 10 is an XY plane.
  • the moving stage 30 has, for example, a base 31, a Y table 32, and an X table 33.
  • the base 31 is a rectangular flat metal member, for example, and has a pair of Y guides 34 extending in the Y-axis direction on an upper surface parallel to the XY plane.
  • the Y table 32 is, for example, a rectangular plate-shaped metal member, and the base 31 has a rectangular long side portion parallel to the X-axis direction and a rectangular short side portion parallel to the Y-axis direction. It is arrange
  • the Y table 32 is provided so as to be engaged with the Y guide 34 via a rolling element such as a ball, and is movable in the Y axis direction along the Y guide 34 by a Y axis motor (not shown).
  • the Y table 32 has a pair of X guides 35 extending in the X-axis direction on the upper surface opposite to the base 31.
  • the X table 33 is, for example, a rectangular plate-shaped metal member, and engages with the X guide 35 via a rolling element such as a ball, and the X axis direction along the X guide 35 by an X axis motor (not shown). It is provided to be movable.
  • the X table 33 has an upper surface opposite to the Y table 32 as a support surface 33a parallel to the XY plane, and supports the levitation mechanism 20 on the support surface 33a.
  • the X table 33 has a thrust applying portion 36 at the center of the support surface 33a.
  • the thrust applying unit 36 is provided in a columnar shape that protrudes from the moving stage 30 toward the support stage 10.
  • the outer peripheral surface of the thrust applying unit 36 is a cylindrical thrust applying surface 36a centering on an axis A that is orthogonal to the moving direction of the moving stage 30 along the XY plane and extends along the Z-axis direction that is the protruding direction of the thrust applying unit 36. It is. That is, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the thrust applying surface 36 a is the outer peripheral surface of the columnar or cylindrical thrust applying portion 36.
  • the moving stage 30 is configured to be able to individually control an X-axis motor that moves the X table 33 along the X-axis direction and a Y-axis motor that moves the Y table 32 along the Y-axis direction. ing. Thereby, the moving stage 30 moves the levitation mechanism 20 supported by the XY plane and the support stage 10 supported by the levitation mechanism 20 at high speed and with high acceleration in an arbitrary movement direction along the XY plane. Can do.
  • the moving stage 30 constitutes a coarse movement mechanism that moves the support stage 10 with a stroke larger than that of the levitation mechanism 20, for example.
  • the levitation mechanism 20 includes, for example, an X coil 21a and an X magnet 21b, a Y coil 22a and a Y magnet 22b, and a Z coil 23a and a Z magnet 23b. More specifically, the levitation mechanism 20 includes, for example, two sets of X coils 21a and X magnets 21b, two sets of Y coils 22a and Y magnets 22b, and four sets of Z coils 23a and Z magnets 23b.
  • X magnet 21b, Y magnet 22b, and Z magnet 23b are, for example, permanent magnets.
  • the X coil 21a is fixed to the center portion in the X-axis direction at both ends in the Y-axis direction on the support surface 33a of the X table 33, for example.
  • the X magnet 21b is fixed to the X-axis direction center at both ends in the Y-axis direction and faces the X coil 21a in the Z-axis direction. doing.
  • the Y coil 22a is fixed to the central portion in the Y-axis direction at both ends in the X-axis direction on the support surface 33a of the X table 33, for example.
  • the Y magnet 22b is fixed to the center in the Y-axis direction at both ends in the X-axis direction on the lower surface of the support stage 10 facing the support surface 33a of the X table 33, and faces the Y coil 22a in the Z-axis direction. doing.
  • the Z coil 23 a is fixed to, for example, the four corners of the support surface 33 a of the rectangular X table 33.
  • the Z magnets 23b are fixed at the four corners on the lower surface of the support stage 10 facing the support surface 33a of the rectangular X table 33, and are opposed to the Z coil 23a in the Z-axis direction.
  • the levitation mechanism 20 is configured to be able to individually control the current flowing through each X coil 21a, each Y coil 22a, and each Z coil 23a. Thereby, the levitation mechanism 20 causes the support stage 10 to float magnetically, and controls the position P1 (x, y, z) and the posture P2 ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z) of the support stage 10 with six degrees of freedom, for example.
  • the support stage 10 can be positioned.
  • the support stage 10 includes, for example, a thrust receiving portion 11, a top table 12, a sample stage 13, and a bar mirror 14. In FIG. 1, the sample stage 13 and the bar mirror 14 are not shown.
  • the top table 12 is, for example, a rectangular plate-shaped metal member.
  • the X magnet 21b, the Y magnet 22b, and the Z magnet 23b are fixed to the peripheral edge of the lower surface facing the X table 33, and the thrust receiving portion 11 is provided at the center. Is provided.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of the stage apparatus 100 shown in FIG.
  • the thrust receiving portion 11 is provided, for example, in a cylindrical shape centering on an axis A passing through the center of gravity G of the support stage 10 and has a contact portion 11a on the inner peripheral surface.
  • the contact part 11a has a circular cross-sectional shape, for example.
  • the contact portion 11 a is provided in an annular shape surrounding the thrust applying portion 36, the outer peripheral side is embedded in the inner peripheral surface of the thrust receiving portion 11, and the inner peripheral side is directed from the inner peripheral surface of the thrust receiving portion 11 toward the thrust applying portion 36. It protrudes.
  • the contact portion 11 a is fixed to the thrust receiving portion 11 so that the apex of the semi-cylindrical portion protruding toward the thrust applying portion 36 is located on a plane F passing through the center of gravity G of the support stage 10.
  • a plane F passing through the center of gravity G of the support stage 10 is parallel to the upper surface and the lower surface of the top table 12.
  • the thrust receiving portion 11 is a circle in which the contour shape of the cross section along the axis A of at least the portion facing the thrust applying surface 36 a of the thrust applying portion 36 is convex toward the thrust applying surface 36 a. It has an arc-shaped thrust receiving surface 11b.
  • the thrust receiving surface 11b is, for example, an inner peripheral surface of the annular thrust receiving portion 11 surrounding the thrust applying portion 36. More specifically, the thrust receiving surface 11b is, for example, an inner peripheral surface of the contact portion 11a of the thrust receiving portion 11 provided in an annular shape having a circular cross-sectional shape and surrounding the thrust applying portion 36.
  • the sample stage 13 is fixed to the upper surface of the top table 12 opposite to the moving stage 30, and holds and fixes the object to be positioned such as a semiconductor wafer on the support stage 10.
  • the surface of the sample stage 13 that holds the object is parallel to the upper surface of the top table 12, for example.
  • the bar mirror 14 is configured to measure the position and orientation of the support stage 10 using, for example, a laser interferometer, and has one side edge parallel to the X axis and one side edge parallel to the Y axis on the top surface of the top table 12. And extending along the line.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the operation of the stage apparatus 100 shown in FIG.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional stage apparatus 900.
  • This conventional stage apparatus 900 is different from the stage apparatus 100 of the present embodiment in that the support stage 910 does not have the thrust receiving unit 11 and the moving stage 930 does not have the thrust applying unit 36.
  • the same components as those of the stage apparatus 100 of the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the support stage 910 when the support stage 910 is moved at a high acceleration in the X-axis direction, a horizontal reaction force R acts on the X coil 21a of the levitation mechanism 920. Further, a moment M around the Y axis acts on the support stage 910, and a large load is applied to the Z coil 23a. That is, in the stage apparatus 900 which is a conventional coarse and fine magnetic levitation stage, the load on each axis motor, that is, the X coil 21a, the Y coil 22a, and the Z coil 23a increases due to the increase in speed. Therefore, it is necessary to increase the size of the electromagnetic actuator including these X coil 21a, Y coil 22a, and Z coil 23a. Increasing the size of the electromagnetic actuator causes an increase in leakage magnetic field, an increase in heat generation, a decrease in responsiveness due to an increase in movable mass, and an increase in device dimensions and manufacturing costs.
  • the stage apparatus 100 of the present embodiment includes the support stage 10 that supports the object to be positioned, the levitation mechanism 20 that positions the support stage 10 by magnetic levitation, and the levitation thereof. And a moving stage 30 that supports the mechanism 20 on the XY plane and moves it in the moving direction along the XY plane.
  • the moving stage 30 includes a thrust applying unit 36 that protrudes toward the support stage 10, and the supporting stage 10 is opposed to the thrust applying unit 36 with an interval in the moving direction of the moving stage 30. have.
  • the thrust applying unit 36 applies the thrust in the moving direction to the thrust receiving unit 11. It is configured to add.
  • the thrust applying unit 36 contacts the thrust receiving unit 11, and the thrust applying unit 36 contacts the thrust receiving unit 11.
  • the thrust T in the moving direction of the moving stage 30 is applied.
  • the thrust applying unit 36 contacts the thrust receiving unit 11, and the thrust applying unit 36 thrusts the thrust receiving unit 11 in the X axis positive direction.
  • the stage apparatus 100 of the present embodiment is configured such that the thrust applying unit 36 applies a thrust T to the thrust receiving unit 11 when the thrust applying unit 36 contacts the thrust receiving unit 11.
  • the stage apparatus 100 of the present embodiment can obtain thrust for acceleration / deceleration of the support stage 10 from the moving stage 30 when the support stage 10 is moved at high speed and high acceleration. Therefore, the increase in the load of the X coil 21a, the Y coil 22a, and the Z coil 23a is suppressed, and the X coil 21a, the Y coil 22a, and the Z coil 23a can be downsized. Miniaturization of the electromagnetic actuator including the X coil 21a, the Y coil 22a, and the Z coil 23a makes it possible to suppress leakage magnetic fields, suppress heat generation, improve responsiveness by reducing movable mass, and reduce device dimensions and manufacturing costs.
  • the support stage 10 is lifted and positioned by the magnetic floating mechanism 20.
  • the levitation mechanism 20 causes the support stage 10 to float by magnetism and positions the support stage 10 due to the friction between the guide and the rolling element.
  • Non-linear characteristics such as stick-slip can be eliminated. Therefore, the levitation mechanism 20 can improve the positioning accuracy of the support stage 10 as compared with the case where the support stage 10 is positioned using the guide and the rolling element.
  • the levitation mechanism 20 lifts and positions the support stage 10 magnetically, so that the support stage 10 is different from the case where a guide and a rolling element are used. Does not receive external force due to friction with moving objects. Therefore, the levitation mechanism 20 can improve the positioning accuracy of the support stage 10 as compared with the case where the support stage 10 is positioned using the guide and the rolling element. As a result, it is possible to meet the demand for higher positioning accuracy with the recent miniaturization of semiconductor elements.
  • the levitation mechanism 20 is easily applied to a vacuum environment, unlike the static air pressure guide, by positioning the support stage 10 by levitation by magnetism.
  • the levitation mechanism 20 constitutes, for example, a fine movement mechanism for accurately positioning the support stage 10. That is, the stage apparatus 100 of the present embodiment is capable of precise positioning, while the levitation mechanism 20 has a small stroke, and the movement stage 30 that has a large stroke and can be moved at high speed and high acceleration, but is susceptible to positioning errors.
  • the coarse / fine movement mechanism is configured by the above.
  • the thrust applying unit 36 of the moving stage 30 and the thrust receiving unit 11 of the support stage 10 face each other with a gap therebetween. This state is maintained, and no thrust is applied from the thrust applying unit 36 to the thrust receiving unit 11.
  • the thrust imparting unit 36 has a cylindrical thrust imparting surface 36 a centering on the axis A that is orthogonal to the moving direction and extends along the protruding direction of the thrust imparting unit 36.
  • the thrust receiving portion 11 has a thrust receiving surface 11b in which the contour shape of the cross section along the axis A of the portion facing at least the thrust applying surface 36a is a convex arc shape toward the thrust applying surface 36a.
  • the stage apparatus 100 is configured such that the thrust application surface 36a contacts the thrust reception surface 11b when the thrust application unit 36 contacts the thrust reception unit 11.
  • the stage apparatus 100 causes the thrust applying unit 36 to contact the thrust receiving unit 11 in a state close to point contact or line contact, and efficiently applies the thrust T in the moving direction of the moving stage 30 to the support stage 10. be able to.
  • the thrust applying surface 36 a is the outer peripheral surface of the columnar or cylindrical thrust applying unit 36
  • the thrust receiving surface 11 b is an annular thrust receiving member surrounding the thrust applying unit 36. It is an inner peripheral surface of the portion 11.
  • the thrust receiving portion 11 has a contact portion 11 a that contacts the thrust applying portion 36.
  • the contact portion 11 a is provided in an annular shape surrounding the thrust applying portion 36, and the apex of the semi-cylindrical portion protruding toward the thrust applying portion 36 is located on a plane F passing through the center of gravity G of the support stage 10. Yes.
  • a straight line passing through the center of gravity G of the support stage 10 and the apex of the contact portion 11 a that receives the thrust T in the moving direction can be matched with the direction of the thrust T.
  • stage apparatus 100 that can increase the speed and acceleration of positioning and can suppress leakage of a magnetic field.
  • stage apparatus according to the present disclosure is not limited to the configuration of the stage apparatus 100 according to the above-described embodiment.
  • the thrust applying unit 36 moves to the thrust receiving unit 11 in the moving direction. It has been explained that it is configured to apply the following thrust T. However, in the stage apparatus 100, when the moving stage 30 moves in the moving direction and the thrust applying unit 36 approaches the thrust receiving unit 11, the thrust applying unit 36 applies a thrust T in the moving direction to the thrust receiving unit 11. It may be configured.
  • the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 may include permanent magnets that repel each other.
  • the thrust provision part 36 approaches the thrust receiving part 11, it can comprise so that the thrust provision part 36 may apply the thrust T to the thrust receiving part 11 with the repulsive force of a permanent magnet.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus 100A according to a modification of the stage apparatus 100 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the stage apparatus 100A shown in FIG.
  • the thrust applying surface 36a is an inner peripheral surface of the cylindrical thrust applying unit 36
  • the thrust receiving surface 11b is a thrust receiving unit disposed inside the cylindrical thrust applying unit 36. It differs from the stage apparatus 100 according to the above-described embodiment in that it is the outer surface of the spherical tip of the part 11. Since the other points of the stage apparatus 100A of the present modification are the same as those of the stage apparatus 100 of the above-described embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the thrust receiving portion 11 is provided in a columnar shape centering on the axis A passing through the center of gravity G of the support stage 10, for example, and the bottom surface of the recess provided on the lower surface of the top table 12 Projecting toward the moving stage 30.
  • the thrust receiving portion 11 has a spherical contact portion 11a at the tip.
  • the center of the thrust receiving surface 11b on the spherical surface of the contact portion 11a coincides with the center of gravity G of the support stage 10, or the thrust receiving unit 11 is positioned on the axis a of the thrust receiving unit 11 passing through the center of gravity G. It is provided to do.
  • stage apparatus 100A of this modification the same effects as those of the stage apparatus 100 according to the above-described embodiment can be obtained. Furthermore, as shown in FIG. 6, even when the support stage 10 is inclined with respect to the XY plane, it is possible to suppress the moment around the X axis and the Y axis from being generated on the support stage 10.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus 100B according to a modification of the stage apparatus 100A shown in FIG.
  • the stage apparatus 100B of this modification is different from the stage apparatus 100A shown in FIG. 5 in that the support stage 10 and the moving stage 30 include permanent magnets that repel each other. Since the other points of the stage apparatus 100B of this modification are the same as those of the stage apparatus 100A of the above-described modification, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the support stage 10 includes the X magnet 21b, the Y magnet 22b, and the Z magnet 23b, which are permanent magnets.
  • the moving stage 30 is equipped with the permanent magnet 24 on the opposite side to the support stage 10 of X coil 21a, Y coil 22a, and Z coil 23a, for example.
  • the permanent magnet 24 provided on the moving stage 30 repels each other with the X magnet 21b, the Y magnet 22b, and the Z magnet 23b provided on the support stage 10, and serves as a gravity compensation magnet that compensates for the gravity of the support stage 10. Function.
  • the weight of the support stage 10 can be supported by the repulsive force between the X magnet 21b, the Y magnet 22b, the Z magnet 23b, and the permanent magnet 24 facing each magnet, and the Z coil 23a can be reduced in size. It becomes possible to become. Therefore, it is possible to suppress the leakage magnetic field, suppress the heat generation, improve the responsiveness by reducing the movable mass, and reduce the device size and manufacturing cost.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus 100C according to a modification of the stage apparatus 100A shown in FIG.
  • the stage device 100C of this modification is different from the stage device 100A shown in FIG. 5 in that the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 include permanent magnets 25a and 25b that repel each other in the protruding direction of the thrust applying unit 36. ing. Since the other points of the stage apparatus 100C of the present modification are the same as those of the stage apparatus 100A of the above-described modification, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the weight of the support stage 10 can be supported by the repulsive force between the permanent magnets 25a and 25b, and the Z coil 23a can be reduced in size. Therefore, it is possible to suppress the leakage magnetic field, suppress the heat generation, improve the responsiveness by reducing the movable mass, and reduce the apparatus size and the manufacturing cost.
  • the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 are each provided with a single permanent magnet 25a, 25b.
  • the disturbance as described above can be eliminated and the positioning accuracy of the stage apparatus 100C can be improved.
  • the area of the permanent magnet 25a of the thrust applying unit 36 facing the permanent magnet 25b of the thrust receiving unit 11 is the thrust receiving unit facing the permanent magnet 25a of the thrust applying unit 36. It is preferable that it is larger than the area of the 11 permanent magnets 25b. Thereby, the above disturbance can be suppressed more reliably.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus 100D according to a modification of the stage apparatus 100B shown in FIG.
  • the stage apparatus 100D of the present modification is different from the stage apparatus 100B shown in FIG. 7 in that the moving stage 30 includes an actuator 37 that moves the thrust applying unit 36 in the moving direction of the moving stage 30. Since the other points of the stage apparatus 100D of this modification are the same as those of the stage apparatus 100B of the above-described modification, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the actuator 37 is constituted by, for example, a piezo actuator, and when the support stage 10 is moved at a high speed and a high acceleration, the thrust applying unit 36 is moved in the moving direction of the moving stage 30 so that the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit are moved. 11 is contacted in a short time. Thereby, the responsiveness of the support stage 10 which moves by receiving the thrust T from the thrust applying unit 36 can be improved.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a stage apparatus 100E according to a modification of the stage apparatus 100B shown in FIG.
  • the stage apparatus 100E of this modification is different from the stage apparatus 100B shown in FIG. 7 in that it includes a contact sensor 38 that detects contact between the thrust applying section 36 and the thrust receiving section 11. Since the other points of the stage apparatus 100E of the present modification are the same as those of the stage apparatus 100B of the above-described modification, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the stage device 100E of the present modification can detect contact between the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 by the contact sensor 38. Therefore, the impact force applied to the support stage 10 at the time of contact between the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 or at the time of separation can be measured, and can be used for the floating control of the support stage 10 by the floating mechanism 20. As a result, the support stage 10 can be instantaneously damped after the support stage 10 is moved.
  • the contact between the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 may be detected by a displacement sensor that measures a relative variation between the X table 33 and the support stage 10.
  • FIG. 11 is a block diagram showing an example of the control unit 50 of the stage apparatus 100E shown in FIG.
  • the stage apparatus 100E includes a control unit 50 that controls the levitation mechanism 20 based on the output signal of the contact sensor 38.
  • the control unit 50 includes, for example, a servo controller 51, a control object 52, and a learning controller 53.
  • the servo controller 51 receives the command value V1 and the current value V0 of the position and orientation of the support stage 10, and controls the control object 52.
  • the control object 52 includes the moving stage 30, the levitation mechanism 20, and the support stage 10.
  • the control unit 50 uses the output signal S from the contact sensor 38 for the feedback loop formed by the servo controller 51 and the control object 52.
  • the control unit 50 inputs the deviation ⁇ V between the command value V1 and the current value V0 and the output signal S of the contact sensor 38 to the learning controller 53, and automatically adjusts the learning controller 53.
  • the learning controller 53 outputs a correction value d for correcting the output value D of the servo controller 51 so as to reduce the deviation ⁇ V.
  • the learning controller 53 can include an adaptive filter.
  • stage apparatus 100E of the present modification vibration caused by the collision between the thrust applying unit 36 and the thrust receiving unit 11 during the movement of the support stage 10 is suppressed, and optimal driving characteristics are always obtained.
  • vibration behavior changes to some extent due to individual differences between devices and aging
  • optimum driving characteristics can always be obtained by automatically adjusting the control system using learning control.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor measuring device 200 including the stage device 100 shown in FIG.
  • a semiconductor measurement apparatus 200 that is an embodiment of the charged particle beam apparatus and the vacuum apparatus according to the present disclosure includes a stage apparatus 100 that positions an object and a vacuum chamber 201 that houses the stage apparatus 100.
  • the semiconductor measuring device 200 of this embodiment is a length measuring SEM as an application device of a scanning electron microscope (SEM), for example.
  • the semiconductor measurement apparatus 200 includes, for example, a stage apparatus 100, a vacuum chamber 201, an electron optical system barrel 202, a vibration control mount 203, a laser interferometer 204, and a controller 205.
  • the vacuum chamber 201 accommodates the stage apparatus 100, and the inside is depressurized by a vacuum pump (not shown) to be in a vacuum state lower than the atmospheric pressure.
  • the vacuum chamber 201 is supported by a vibration control mount 203.
  • the semiconductor measuring apparatus 200 positions an object such as a semiconductor wafer by the stage apparatus 100, irradiates the object with an electron beam from the electron optical system barrel 202, images a pattern on the object, and draws pattern lines. Measure width and evaluate shape accuracy.
  • the position of the bar mirror 14 is measured by the laser interferometer 204, and an object such as a semiconductor wafer held on the sample stage 13 of the support stage 10 is positioned and controlled by the controller 205.
  • the semiconductor measuring apparatus 200 includes the stage apparatus 100, so that the positioning of an object such as a wafer can be accelerated and accelerated, and leakage of a magnetic field can be suppressed. Therefore, the measurement accuracy of the semiconductor measuring device 200 as a charged particle beam device can be improved.
  • the levitation mechanism 20 is a magnetic levitation type
  • the stage apparatus 100 can be easily applied to the semiconductor measurement apparatus 200 that is a vacuum apparatus, and can exhibit excellent effects such as suppression of heat generation.
  • the charged particle beam apparatus and vacuum apparatus of this indication are not limited to a semiconductor measuring device.

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Abstract

本開示は、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制可能なステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置を提供することを課題とする。その解決手段として、ステージ装置１００は、支持ステージ１０と、浮上機構２０と、移動ステージ３０と、を備える。移動ステージ３０は、推力付与部３６を有し、支持ステージ１０は、推力受部１１を有している。ステージ装置１００は、移動ステージ３０が移動して推力付与部３６が推力受部１１に接触または接近したときに、推力付与部３６が推力受部１１に移動方向の推力を加えるように構成されている。

Description

ステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置
　本開示は、ステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置に関する。
　従来から露光装置のためのデバイスステージおよびウエハを正確に位置決めして支持するための多点支持アセンブリに関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１には、デバイスを搭載ベースに対して移動させるデバイスステージアセンブリが記載されている。
　この従来のデバイスステージアセンブリは、デバイスステージと、可動子ハウジングと、支持アセンブリと、制御システムとを含む（同文献、請求項１等を参照）。デバイスステージは、デバイスを保持する。支持アセンブリは、デバイスステージに接続された少なくとも４つの離間したＺデバイスステージ移動装置を含み、デバイスステージを可動子ハウジングに対して移動させる。制御システムは、Ｚデバイスステージ移動装置によってデバイスステージの移動中にデバイスステージの変形を抑制するようにＺデバイスステージ移動装置を制御する。
　上記Ｚデバイスステージ移動装置は、磁石と導体を含み、導体を通る電流は、導体を磁石の磁場と相互作用させ、磁石と導体との間に力（ローレンツ力）を発生させる。このＺデバイスステージ移動装置は、デバイスステージを、Ｚ軸に沿って、Ｘ軸周りに、およびＹ軸周りに選択的に移動および支持する（同文献、第００５８段落から第００６１段落等を参照）。
　また、デバイスステージアセンブリは、ステージ移動アセンブリを含む（同文献、第００２８段落等を参照）。ステージ移動アセンブリは、可動子ハウジング、ガイドアセンブリ、流体軸受、磁気ベアリングまたはローラーベアリングなどによって構成され、可動子ハウジングをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる（同文献、第００３５段落から第００４０段落等を参照）。制御システムは、ステージ移動アセンブリおよび支持アセンブリを制御して、デバイスステージおよびデバイスを正確に位置決めする（同文献、第００７８段落等を参照）。
米国特許出願公開第２００２／０１３７３５８号明細書
　たとえば、半導体ウエハの製造、測定、検査などの工程では、半導体ウエハの正確な位置決めを行うために、前記従来のデバイスステージアセンブリのようなステージ装置が用いられる。このようなステージ装置においては、たとえば、半導体ウエハの位置決め時間の短縮のために、位置決めの高速化および高加速化が求められている。
　しかしながら、前記従来のデバイスステージアセンブリは、たとえば半導体ウエハの位置決め時間の短縮のために、デバイスステージの位置決めの高速化および高加速化を図ると、Ｚデバイスステージ移動装置が大型化して磁場の漏れが増大する。ステージ装置における磁場の漏れは、たとえば電子顕微鏡などの荷電粒子線装置において電子ビームの歪みを生じさせ、電子ビームの照射制度を低下させる。
　本開示は、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制可能なステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置を提供する。
　本開示の一態様は、位置決めを行う対象物を支持する支持ステージと、該支持ステージを磁気により浮上させて位置決めする浮上機構と、該浮上機構を平面に支持して該平面に沿う移動方向に移動させる移動ステージと、を備えたステージ装置であって、前記移動ステージは、前記支持ステージに向けて突出する推力付与部を有し、前記支持ステージは、前記推力付与部に対して前記移動方向に間隔をあけて対向する推力受部を有し、前記移動ステージが前記移動方向に移動して前記推力付与部が前記推力受部に接触または接近したときに、前記推力付与部が前記推力受部に前記移動方向の推力を加えるように構成されていることを特徴とするステージ装置である。
　本開示の上記一態様によれば、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制可能なステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置を提供することができる。
本開示の一実施形態に係るステージ装置の要部分解斜視図。 図１に示すステージ装置の模式的な断面図。 図２に示すステージ装置のIII－III線に沿う断面図。 図２に示すステージ装置の動作を示す模式的な断面図。 図２に示すステージ装置の変形例に係るステージ装置の模式的な断面図。 図５に示すステージ装置の動作を説明する模式的な断面図。 図５に示すステージ装置の変形例に係るステージ装置の模式的な断面図。 図５に示すステージ装置の変形例に係るステージ装置の模式的な断面図。 図７に示すステージ装置の変形例に係るステージ装置の模式的な断面図。 図７に示すステージ装置の変形例に係るステージ装置の模式的な断面図。 図１０に示すステージ装置の制御部の一例を示すブロック図。 図２に示すステージ装置を備える半導体計測装置の模式的な断面図。 従来のステージ装置の一例を示す模式的な断面図。
　以下、図面を参照して本開示に係るステージ装置、荷電粒子線装置および真空装置の実施形態を説明する。
　図１は、本開示の一実施形態に係るステージ装置１００の要部の分解斜視図である。図２は、図１に示すステージ装置１００の模式的な断面図である。本実施形態のステージ装置１００は、たとえば、半導体製造装置や検査装置においてウエハなどの対象物の位置決めを高精度かつ高速に行うための装置である。
　詳細については後述するが、本実施形態のステージ装置１００は、以下の構成を主な特徴としている。ステージ装置１００は、位置決めを行う対象物を支持する支持ステージ１０と、その支持ステージ１０を磁気により浮上させて位置決めする浮上機構２０と、その浮上機構２０を平面に支持してその平面に沿う移動方向に移動させる移動ステージ３０と、を備えている。移動ステージ３０は、支持ステージ１０に向けて突出する推力付与部３６を有している。支持ステージ１０は、推力付与部３６に対して移動ステージ３０の移動方向に間隔をあけて対向する推力受部１１を有している。ステージ装置１００は、移動ステージ３０が上記移動方向に移動して推力付与部３６が推力受部１１に接触または接近したときに、推力付与部３６が推力受部１１に上記移動方向の推力を加えるように構成されている。
　以下、本実施形態のステージ装置１００の各構成について詳細に説明する。以下では、支持ステージ１０の移動方向に平行な平面をＸＹ平面とするＸＹＺ直交座標系を用いて各部を説明する場合がある。
　移動ステージ３０は、たとえば、ベース３１と、Ｙテーブル３２と、Ｘテーブル３３と、を有している。ベース３１は、たとえば、矩形平板状の金属部材であり、ＸＹ平面に平行な上面に、Ｙ軸方向に延びる一対のＹガイド３４を有している。
　Ｙテーブル３２は、たとえば、長方形の板状の金属部材であり、長方形の長辺部分がＸ軸方向に平行になり、長方形の短辺部分がＹ軸方向に平行になるように、ベース３１の上面に対向して配置されている。Ｙテーブル３２は、たとえば、ボールなどの転動体を介してＹガイド３４に係合し、図示を省略するＹ軸モータによってＹガイド３４に沿ってＹ軸方向に移動可能に設けられている。Ｙテーブル３２は、ベース３１と反対側の上面に、Ｘ軸方向に延びる一対のＸガイド３５を有している。
　Ｘテーブル３３は、たとえば、矩形の板状の金属部材であり、ボールなどの転動体を介してＸガイド３５に係合し、図示を省略するＸ軸モータによってＸガイド３５に沿ってＸ軸方向に移動可能に設けられている。Ｘテーブル３３は、Ｙテーブル３２と反対側の上面がＸＹ平面に平行な支持面３３ａとされ、この支持面３３ａに浮上機構２０を支持している。また、Ｘテーブル３３は、支持面３３ａの中央部に推力付与部３６を有している。
　図１および図２に示す例において、推力付与部３６は、移動ステージ３０から支持ステージ１０へ向けて突出する円柱状に設けられている。推力付与部３６の外周面は、ＸＹ平面に沿う移動ステージ３０の移動方向に直交しかつ推力付与部３６の突出方向であるＺ軸方向に沿う軸線Ａを中心とする円筒状の推力付与面３６ａである。すなわち、図１および図２に示す例において、推力付与面３６ａは、円柱状または円筒状の推力付与部３６の外周面である。
　移動ステージ３０は、Ｘテーブル３３をＸ軸方向に沿って移動させるＸ軸モータと、Ｙテーブル３２をＹ軸方向に沿って移動させるＹ軸モータとを個別に制御することができるように構成されている。これにより、移動ステージ３０は、ＸＹ平面に支持された浮上機構２０と、浮上機構２０によって支持された支持ステージ１０とを、ＸＹ平面に沿う任意の移動方向へ、高速かつ高加速度で移動させることができる。ステージ装置１００において、移動ステージ３０は、たとえば、浮上機構２０よりも大きなストロークで支持ステージ１０を移動させる粗動機構を構成している。
　浮上機構２０は、たとえば、Ｘコイル２１ａおよびＸ磁石２１ｂと、Ｙコイル２２ａおよびＹ磁石２２ｂと、Ｚコイル２３ａおよびＺ磁石２３ｂとを有している。より具体的には、浮上機構２０は、たとえば、二組のＸコイル２１ａおよびＸ磁石２１ｂと、二組のＹコイル２２ａおよびＹ磁石２２ｂと、四組のＺコイル２３ａおよびＺ磁石２３ｂとを有している。Ｘ磁石２１ｂ、Ｙ磁石２２ｂ、およびＺ磁石２３ｂは、たとえば、永久磁石である。
　Ｘコイル２１ａは、たとえば、Ｘテーブル３３の支持面３３ａにおいて、Ｙ軸方向の両端部でＸ軸方向の中央部に固定されている。Ｘ磁石２１ｂは、たとえば、Ｘテーブル３３の支持面３３ａに対向する支持ステージ１０の下面において、Ｙ軸方向の両端部でＸ軸方向の中央部に固定され、Ｚ軸方向においてＸコイル２１ａに対向している。
　Ｙコイル２２ａは、たとえば、Ｘテーブル３３の支持面３３ａにおいて、Ｘ軸方向の両端部でＹ軸方向の中央部に固定されている。Ｙ磁石２２ｂは、たとえば、Ｘテーブル３３の支持面３３ａに対向する支持ステージ１０の下面において、Ｘ軸方向の両端部でＹ軸方向の中央部に固定され、Ｚ軸方向においてＹコイル２２ａに対向している。
　Ｚコイル２３ａは、たとえば、矩形のＸテーブル３３の支持面３３ａの四隅に固定されている。Ｚ磁石２３ｂは、たとえば、矩形のＸテーブル３３の支持面３３ａに対向する支持ステージ１０の下面において四隅に固定され、Ｚ軸方向においてＺコイル２３ａに対向している。
　浮上機構２０は、各々のＸコイル２１ａ、各々のＹコイル２２ａ、および各々のＺコイル２３ａに流れる電流を個別に制御することができるように構成されている。これにより、浮上機構２０は、支持ステージ１０を磁気により浮上させ、たとえば６自由度で支持ステージ１０の位置Ｐ１（ｘ，ｙ，ｚ）および姿勢Ｐ２（θｘ，θｙ，θｚ）を制御して、支持ステージ１０の位置決めをすることができる。
　支持ステージ１０は、たとえば、推力受部１１と、トップテーブル１２と、試料台１３と、バーミラー１４とを有している。なお、図１において、試料台１３とバーミラー１４の図示は省略している。トップテーブル１２は、たとえば、矩形板状の金属部材であり、Ｘテーブル３３に対向する下面の周縁部にＸ磁石２１ｂ、Ｙ磁石２２ｂ、Ｚ磁石２３ｂが固定され、中央部に推力受部１１が設けられている。
　図３は、図２に示すステージ装置１００のIII－III線に沿う断面図である。推力受部１１は、たとえば、支持ステージ１０の重心Ｇを通る軸線Ａを中心とする円筒状に設けられ、内周面に接触部１１ａを有している。接触部１１ａは、たとえば、断面形状が円形である。接触部１１ａは、推力付与部３６を囲む円環状に設けられ、外周側が推力受部１１の内周面に埋め込まれ、内周側が推力受部１１の内周面から推力付与部３６に向けて突出している。接触部１１ａは、推力付与部３６に向けて突出した半円筒状の部分の頂点が、支持ステージ１０の重心Ｇを通る面Ｆ上に位置するように、推力受部１１に固定されている。支持ステージ１０の重心Ｇを通る面Ｆは、トップテーブル１２の上面および下面に平行である。
　図２および図３に示す例において、推力受部１１は、少なくとも推力付与部３６の推力付与面３６ａに対向する部分の軸線Ａに沿う断面の輪郭形状が推力付与面３６ａに向けて凸の円弧状である推力受面１１ｂを有している。推力受面１１ｂは、たとえば、推力付与部３６を囲む円環状の推力受部１１の内周面である。より詳細には、推力受面１１ｂは、たとえば、断面形状が円形で推力付与部３６を囲む円環状に設けられた推力受部１１の接触部１１ａの内周面である。
　試料台１３は、トップテーブル１２の移動ステージ３０と反対側の上面に固定され、たとえば、半導体ウエハなど、位置決めされる対象物を支持ステージ１０に保持および固定する。試料台１３の対象物を保持する面は、たとえば、トップテーブル１２の上面に平行である。バーミラー１４は、たとえば、レーザ干渉計によって支持ステージ１０の位置および姿勢を測定するための構成であり、トップテーブル１２の上面のＸ軸に平行な一側縁と、Ｙ軸に平行な一側縁とに沿って延在させて設けられている。
　以下、本実施形態のステージ装置１００の動作について、図３および図４を参照し、従来のステージ装置との対比に基づいて説明する。図４は、図２に示すステージ装置１００の動作を示す模式的な断面図である。
　図１３は、従来のステージ装置９００の一例を示す模式的な断面図である。この従来のステージ装置９００は、支持ステージ９１０が推力受部１１を有しない点と、移動ステージ９３０が推力付与部３６を有しない点で、本実施形態のステージ装置１００と異なっている。なお、図１３において、本実施形態のステージ装置１００と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
　従来のステージ装置９００において、支持ステージ９１０をＸ軸方向に高加速度で移動させると、水平方向の反力Ｒが浮上機構９２０のＸコイル２１ａに作用する。また、支持ステージ９１０にＹ軸周りのモーメントＭが作用しＺコイル２３ａにも大きな負荷がかかる。すなわち、従来の粗微動方式の磁気浮上ステージであるステージ装置９００では、高速化によって各軸モータ、すなわち、Ｘコイル２１ａ、Ｙコイル２２ａ、Ｚコイル２３ａの負荷が増大する。そのため、これらＸコイル２１ａ、Ｙコイル２２ａ、Ｚコイル２３ａを含む電磁アクチュエータの大型化が必要となる。電磁アクチュエータの大型化は、漏れ磁場の増大や発熱の増大、可動質量増大による応答性の低下、装置寸法や製造コストの増大を招く。
　これに対し、本実施形態のステージ装置１００は、前述のように、位置決めを行う対象物を支持する支持ステージ１０と、その支持ステージ１０を磁気により浮上させて位置決めする浮上機構２０と、その浮上機構２０をＸＹ平面に支持してＸＹ平面に沿う移動方向に移動させる移動ステージ３０と、を備えている。移動ステージ３０は、支持ステージ１０に向けて突出する推力付与部３６を有し、支持ステージ１０は、推力付与部３６に対して移動ステージ３０の移動方向に間隔をあけて対向する推力受部１１を有している。そして、ステージ装置１００は、移動ステージ３０が上記移動方向に移動して推力付与部３６が推力受部１１に接触または接近したときに、推力付与部３６が推力受部１１に上記移動方向の推力を加えるように構成されている。
　より具体的には、移動ステージ３０がＸＹ平面に沿う移動方向に移動すると、図３に示すように、推力付与部３６が推力受部１１に接触し、推力付与部３６が推力受部１１に、移動ステージ３０の移動方向の推力Ｔを加える。また、移動ステージ３０がＸ軸正方向に移動すると、図４に示すように、推力付与部３６が推力受部１１に接触し、推力付与部３６が推力受部１１にＸ軸正方向の推力Ｔを加える。すなわち、本実施形態のステージ装置１００は、推力付与部３６が推力受部１１に接触したときに、推力付与部３６が推力受部１１に推力Ｔを加えるように構成されている。
　これにより、本実施形態のステージ装置１００は、支持ステージ１０を高速および高加速度で移動させるときに、支持ステージ１０の加減速のための推力を移動ステージ３０から得ることができる。そのため、Ｘコイル２１ａ、Ｙコイル２２ａ、Ｚコイル２３ａの負荷の増大が抑制され、Ｘコイル２１ａ、Ｙコイル２２ａ、Ｚコイル２３ａの小型化が可能になる。Ｘコイル２１ａ、Ｙコイル２２ａ、Ｚコイル２３ａを含む電磁アクチュエータの小型化は、漏れ磁場の抑制や発熱の抑制、可動質量減少による応答性の向上、装置寸法や製造コストの低減を可能にする。
　また、本実施形態のステージ装置１００は、支持ステージ１０が磁気による浮上機構２０によって浮上されて位置決めされる。このように、浮上機構２０が支持ステージ１０を磁気により浮上させて位置決めすることで、ガイドと転動体を用いて支持ステージ１０を位置決めする場合と異なり、ガイドと転動体との間の摩擦に起因するスティックスリップなどの非線形特性を排除することができる。そのため、浮上機構２０は、ガイドと転動体を用いて支持ステージ１０を位置決めする場合と比較して、支持ステージ１０の位置決め精度を向上させることができる。
　また、浮上機構２０は、支持ステージ１０を磁気により浮上させて位置決めすることで、ガイドと転動体を用いる場合と異なり、支持ステージ１０が他の部材から熱変形に起因する外力や、ガイドと転動体との摩擦に起因する外力を受けることがない。そのため、浮上機構２０は、ガイドと転動体を用いて支持ステージ１０を位置決めする場合と比較して、支持ステージ１０の位置決め精度を向上させることができる。これにより、近年の半導体素子の微細化に伴うこれまで以上の位置決め精度の要求に対応することができる。
　さらに、浮上機構２０は、支持ステージ１０を磁気により浮上させて位置決めすることで、空気静圧案内とは異なり、真空環境への適用が容易である。本実施形態のステージ装置１００において、浮上機構２０は、たとえば、支持ステージ１０を精密に位置決めするための微動機構を構成している。すなわち、本実施形態のステージ装置１００は、精密な位置決めが可能な反面、ストロークが小さい浮上機構２０と、ストロークが大きく高速および高加速の移動が可能な反面、位置決め誤差が生じやすい移動ステージ３０とによって粗微動機構が構成されている。なお、支持ステージ１０が高速または高加速度で移動せず、低速で移動する場合には、移動ステージ３０の推力付与部３６と支持ステージ１０の推力受部１１とは間隔をあけて対向した非接触の状態が維持され、推力付与部３６から推力受部１１へ推力は加わらない。
　また、本実施形態のステージ装置１００において、推力付与部３６は、移動方向に直交しかつ推力付与部３６の突出方向に沿う軸線Ａを中心とする円筒状の推力付与面３６ａを有している。推力受部１１は、少なくとも推力付与面３６ａに対向する部分の軸線Ａに沿う断面の輪郭形状が推力付与面３６ａに向けて凸の円弧状である推力受面１１ｂを有している。これにより、ステージ装置１００は、推力付与部３６が推力受部１１に接触するときに、推力付与面３６ａが推力受面１１ｂに接触するように構成されている。この構成により、ステージ装置１００は、推力付与部３６を推力受部１１に点接触または線接触に近い状態で接触させ、支持ステージ１０に対して移動ステージ３０の移動方向の推力Ｔを効率よく加えることができる。
　また、本実施形態のステージ装置１００において、推力付与面３６ａは、円柱状または円筒状の推力付与部３６の外周面であり、推力受面１１ｂは、推力付与部３６を囲む円環状の推力受部１１の内周面である。これにより、移動ステージ３０がＸＹ平面に沿う任意の方向へ高速および高加速で移動したときに、円柱状または円筒状の推力付与部３６の外周面である推力付与面３６ａを、推力付与部３６を囲む円環状の推力受部１１の内周面である推力受面１１ｂに確実に接触させることができる。
　また、本実施形態のステージ装置１００において、推力受部１１は、推力付与部３６に接触する接触部１１ａを有している。接触部１１ａは、推力付与部３６を囲む円環状に設けられ、推力付与部３６に向けて突出した半円筒状の部分の頂点が、支持ステージ１０の重心Ｇを通る面Ｆ上に位置している。この構成により、図３および図４に示すように、支持ステージ１０の重心Ｇと移動方向の推力Ｔを受ける接触部１１ａの頂点とを通る直線を、推力Ｔの方向に一致させることができる。これにより、支持ステージ１０にＹ軸周りやＸ軸周りのモーメントが発生するのを抑制して、Ｚコイル２３ａの負荷を低減し、Ｚコイル２３ａを小型化することが可能になる。したがって、漏れ磁場の抑制や発熱の抑制、可動質量減少による応答性の向上、装置寸法や製造コストの低減が可能になる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制可能なステージ装置１００を提供することができる。なお、本開示に係るステージ装置は、前述の実施形態に係るステージ装置１００の構成に限定されない。
　たとえば、前述の実施形態では、ステージ装置１００は、移動ステージ３０が移動方向に移動して推力付与部３６が推力受部１１に接触したときに、推力付与部３６が推力受部１１に移動方向の推力Ｔを加えるように構成されていることを説明した。しかし、ステージ装置１００は、移動ステージ３０が移動方向に移動して推力付与部３６が推力受部１１に接近したときに、推力付与部３６が推力受部１１に移動方向の推力Ｔを加えるように構成されていてもよい。
　より具体的には、ステージ装置１００において、推力付与部３６および推力受部１１は、互いに反発する永久磁石を備えてもよい。これにより、推力付与部３６が推力受部１１に接近したときに、永久磁石の反発力によって推力付与部３６が推力受部１１に推力Ｔを加えるように構成することができる。以下、前述の実施形態に係るステージ装置１００のいくつかの変形例について説明する。
　図５は、図２に示すステージ装置１００の変形例に係るステージ装置１００Ａの模式的な断面図である。図６は、図５に示すステージ装置１００Ａの動作を説明する模式的な断面図である。
　本変形例に係るステージ装置１００Ａは、推力付与面３６ａが円筒状の推力付与部３６の内周面であり、推力受面１１ｂが、円筒状の推力付与部３６の内側に配置された推力受部１１の球状の先端部の外表面である点で、前述の実施形態に係るステージ装置１００と異なっている。本変形例のステージ装置１００Ａのその他の点は、前述の実施形態のステージ装置１００と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
　本変形例に係るステージ装置１００Ａにおいて、推力受部１１は、たとえば、支持ステージ１０の重心Ｇを通る軸線Ａを中心とする円柱状に設けられ、トップテーブル１２の下面に設けられた凹部の底面から、移動ステージ３０へ向けて突出している。推力受部１１は、先端部に球状の接触部１１ａを有している。推力受部１１は、たとえば、接触部１１ａの球面上の推力受面１１ｂの中心が、支持ステージ１０の重心Ｇと一致するか、または、重心Ｇを通る推力受部１１の軸線ａ上に位置するように設けられている。
　本変形例のステージ装置１００Ａによれば、前述の実施形態に係るステージ装置１００と同様の効果を奏することができる。さらに、図６に示すように、支持ステージ１０がＸＹ平面に対して傾斜した状態であっても、支持ステージ１０にＸ軸周りやＹ軸周りのモーメントが発生するのを抑制することができる。
　図７は、図５に示すステージ装置１００Ａの変形例に係るステージ装置１００Ｂの模式的な断面図である。本変形例のステージ装置１００Ｂは、支持ステージ１０および移動ステージ３０が互いに反発する永久磁石を備えている点で、図５に示すステージ装置１００Ａと異なっている。本変形例のステージ装置１００Ｂのその他の点は、前述の変形例のステージ装置１００Ａと同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
　前述のように、支持ステージ１０は、永久磁石であるＸ磁石２１ｂ、Ｙ磁石２２ｂ、Ｚ磁石２３ｂを有している。そして、移動ステージ３０は、たとえば、Ｘコイル２１ａ、Ｙコイル２２ａ、Ｚコイル２３ａの支持ステージ１０と反対側に、永久磁石２４を備えている。移動ステージ３０に設けられた永久磁石２４は、支持ステージ１０に設けられたＸ磁石２１ｂ、Ｙ磁石２２ｂ、Ｚ磁石２３ｂと互いに反発し合い、支持ステージ１０の重力を補償する重力補償用の磁石として機能する。
　この構成により、支持ステージ１０の重量を、Ｘ磁石２１ｂ、Ｙ磁石２２ｂおよびＺ磁石２３ｂと、各磁石に対向する永久磁石２４との間の反発力によって支持することができ、Ｚコイル２３ａを小型化することが可能になる。したがって、漏れ磁場の抑制や発熱の抑制、可動質量減少による応答性の向上、装置寸法や製造コストの低減が可能になる。
　図８は、図５に示すステージ装置１００Ａの変形例に係るステージ装置１００Ｃの模式的な断面図である。本変形例のステージ装置１００Ｃは、推力付与部３６および推力受部１１が、推力付与部３６の突出方向に互いに反発する永久磁石２５ａ，２５ｂを備える点で、図５に示すステージ装置１００Ａと異なっている。本変形例のステージ装置１００Ｃのその他の点は、前述の変形例のステージ装置１００Ａと同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
　本変形例のステージ装置１００Ｃによれば、支持ステージ１０の重量を、永久磁石２５ａ，２５ｂとの間の反発力によって支持することができ、Ｚコイル２３ａを小型化することが可能になる。したがって、漏れ磁場の抑制や発熱の抑制、可動質量減少による応答性の向上、装置寸法や製造コストの低減が可能になる。
　また、図７に示すステージ装置１００Ｂでは、Ｚ軸方向に向かい合う永久磁石２４と、Ｘ磁石２１ｂ、Ｙ磁石２２ｂおよびＺ磁石２３ｂとが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にずれたときに、外乱となるＸ軸方向、Ｙ軸方向の反発力が生じる。このような外乱は、永久磁石２４を複数配置した場合に、永久磁石２４の磁束密度の個体差や配置および形状の誤差からも生じ得る。
　しかし、図８に示す本変形例のステージ装置１００Ｃでは、推力付与部３６および推力受部１１が、それぞれ単一の永久磁石２５ａ，２５ｂを備えている。これにより、前述のような外乱を排除して、ステージ装置１００Ｃの位置決め精度を向上させることができる。なお、ステージ装置１００Ｃの位置決め精度向上の観点から、推力受部１１の永久磁石２５ｂに対向する推力付与部３６の永久磁石２５ａの面積は、推力付与部３６の永久磁石２５ａに対向する推力受部１１の永久磁石２５ｂの面積よりも大きいことが好ましい。これにより、前述のような外乱をより確実に抑制することができる。
　図９は、図７に示すステージ装置１００Ｂの変形例に係るステージ装置１００Ｄの模式的な断面図である。本変形例のステージ装置１００Ｄは、移動ステージ３０が、推力付与部３６を移動ステージ３０の移動方向に移動させるアクチュエータ３７を備える点で、図７に示すステージ装置１００Ｂと異なっている。本変形例のステージ装置１００Ｄのその他の点は、前述の変形例のステージ装置１００Ｂと同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
　アクチュエータ３７は、たとえば、ピエゾアクチュエータによって構成され、支持ステージ１０を高速、高加速度で移動させるときに、移動ステージ３０の移動方向に推力付与部３６を移動させて、推力付与部３６と推力受部１１とを短時間で接触させる。これにより、推力付与部３６から推力Ｔを受けて移動する支持ステージ１０の応答性を向上させることができる。
　図１０は、図７に示すステージ装置１００Ｂの変形例に係るステージ装置１００Ｅの模式的な断面図である。本変形例のステージ装置１００Ｅは、推力付与部３６と推力受部１１との接触を検知する接触センサ３８を備える点で、図７に示すステージ装置１００Ｂと異なっている。本変形例のステージ装置１００Ｅのその他の点は、前述の変形例のステージ装置１００Ｂと同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
　本変形例のステージ装置１００Ｅは、接触センサ３８によって、推力付与部３６と推力受部１１との接触を検知することができる。そのため、推力付与部３６と推力受部１１との接触時や分離時に支持ステージ１０に加わる衝撃力を計測し、浮上機構２０による支持ステージ１０の浮上制御に利用することができる。これにより、支持ステージ１０の移動後に支持ステージ１０を瞬時に制振することが可能になる。なお、推力付与部３６と推力受部１１との接触は、Ｘテーブル３３と支持ステージ１０との相対変異を計測する変位センサによって検知してもよい。
　図１１は、図１０に示すステージ装置１００Ｅの制御部５０の一例を示すブロック図である。ステージ装置１００Ｅは、接触センサ３８の出力信号に基づいて浮上機構２０を制御する制御部５０を備える。制御部５０は、たとえば、サーボ制御器５１と、制御対象５２と、学習制御器５３とを備える。サーボ制御器５１は、支持ステージ１０の位置および姿勢の指令値Ｖ１および現在値Ｖ０が入力され、制御対象５２を制御する。制御対象５２は、移動ステージ３０、浮上機構２０および支持ステージ１０を含む。
　制御部５０は、サーボ制御器５１と制御対象５２から形成されるフィードバックループに対して接触センサ３８からの出力信号Ｓを利用する。制御部５０は、学習制御器５３に指令値Ｖ１と現在値Ｖ０との偏差ΔＶおよび接触センサ３８の出力信号Ｓを入力し、学習制御器５３を自動調整する。学習制御器５３は、偏差ΔＶを小さくするようにサーボ制御器５１の出力値Ｄを補正する補正値ｄを出力する。学習制御器５３は、適応フィルタを含むことができる。
　この構成により、推力付与部３６と推力受部１１の共振の影響を、装置機差や使用期間によらず常に最小化することが可能である。学習制御器５３のパラメータを調整するためには、装置出荷前やメンテナンス時に多種の駆動パターンで動作を行い、その時の偏差ΔＶと推力の補正値ｄとの関係を教師データとして用いる。これにより、装置出荷前やメンテナンス時のステージ制御系の調整時間およびコストを短縮することが可能となる。
　したがって、本変形例のステージ装置１００Ｅによれば、支持ステージ１０の移動時に推力付与部３６と推力受部１１とが衝突することによる振動を抑制し、常に最適な駆動特性が得られる。また、上記の振動の挙動は、装置の個体差や経年変化によってある程度変化するが、学習制御を用いて制御系を自動調整することで常に最適な駆動特性が得られる。
　最後に、図１２を参照して、本開示に係る荷電粒子線装置および真空装置の実施形態について説明する。図１２は、図２に示すステージ装置１００を備える半導体計測装置２００の模式的な断面図である。
　本開示に係る荷電粒子線装置および真空装置の一実施形態である半導体計測装置２００は、対象物の位置決めを行うステージ装置１００と、そのステージ装置１００を収容する真空チャンバ２０１を備えている。本実施形態の半導体計測装置２００は、たとえば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の応用装置としての測長ＳＥＭである。
　半導体計測装置２００は、たとえば、ステージ装置１００と、真空チャンバ２０１と、電子光学系鏡筒２０２と、制振マウント２０３と、レーザ干渉計２０４と、コントローラ２０５とを備えている。真空チャンバ２０１は、ステージ装置１００を収容し、図示を省略する真空ポンプによって内部が減圧されて大気圧よりも低圧の真空状態になる。真空チャンバ２０１は、制振マウント２０３によって支持されている。
　半導体計測装置２００は、ステージ装置１００によって半導体ウエハなどの対象物の位置決めを行い、電子光学系鏡筒２０２から電子ビームを対象物上に照射し、対象物上のパターンを撮像し、パターンの線幅の計測や形状精度の評価を行う。ステージ装置１００は、レーザ干渉計２０４により、バーミラー１４の位置が計測され、コントローラ２０５により、支持ステージ１０の試料台１３に保持された半導体ウエハなどの対象物が位置決め制御される。
　本実施形態に係る半導体計測装置２００は、ステージ装置１００を備えることで、ウエハなどの対象物の位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制することができる。したがって、荷電粒子線装置としての半導体計測装置２００の測定精度を向上させることができる。また、ステージ装置１００は、浮上機構２０が磁気浮上式であるので、真空装置である半導体計測装置２００への適用が容易であり、発熱の抑制等、優れた効果を発揮することができる。なお、本開示の荷電粒子線装置および真空装置は、半導体計測装置に限定されない。
　以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１０　　　支持ステージ
１１　　　推力受部
１１ｂ　　推力受面
２０　　　浮上機構
２１ｂ　　Ｘ磁石（永久磁石）
２２ｂ　　Ｙ磁石（永久磁石）
２３ｂ　　Ｚ磁石（永久磁石）
２４　　　永久磁石
２５ａ　　永久磁石
２５ｂ　　永久磁石
３０　　　移動ステージ
３６　　　推力付与部
３６ａ　　推力付与面
３７　　　アクチュエータ
３８　　　接触センサ
５０　　　制御部
５１　　　サーボ制御器
５３　　　学習制御器
１００　　ステージ装置
１００Ａ　ステージ装置
１００Ｂ　ステージ装置
１００Ｃ　ステージ装置
１００Ｄ　ステージ装置
１００Ｅ　ステージ装置
２００　　半導体計測装置（荷電粒子線装置、真空装置）
２０１　　真空チャンバ
Ａ　　　　軸線
Ｄ　　　　出力値
ｄ　　　　補正値
Ｓ　　　　出力信号
Ｔ　　　　推力
Ｖ０　　　現在値
Ｖ１　　　指令値
ΔＶ　　　偏差

Claims (13)

  1. 　位置決めを行う対象物を支持する支持ステージと、該支持ステージを磁気により浮上させて位置決めする浮上機構と、該浮上機構を平面に支持して該平面に沿う移動方向に移動させる移動ステージと、を備えたステージ装置であって、
    　前記移動ステージは、前記支持ステージに向けて突出する推力付与部を有し、
    　前記支持ステージは、前記推力付与部に対して前記移動方向に間隔をあけて対向する推力受部を有し、
    　前記移動ステージが前記移動方向に移動して前記推力付与部が前記推力受部に接触または接近したときに、前記推力付与部が前記推力受部に前記移動方向の推力を加えるように構成されていることを特徴とするステージ装置。
  2. 　前記推力付与部が前記推力受部に接触したときに、前記推力付与部が前記推力受部に前記推力を加えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
  3. 　前記推力付与部は、前記移動方向に直交しかつ前記推力付与部の突出方向に沿う軸線を中心とする円筒状の推力付与面を有し、
    　前記推力受部は、少なくとも前記推力付与面に対向する部分の前記軸線に沿う断面の輪郭形状が前記推力付与面に向けて凸の円弧状である推力受面を有し、
    　前記推力付与部が前記推力受部に接触するときに、前記推力付与面が前記推力受面に接触するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
  4. 　前記推力付与面は、円柱状または円筒状の前記推力付与部の外周面であり、
    　前記推力受面は、前記推力付与部を囲む円環状の前記推力受部の内周面であることを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
  5. 　前記推力付与面は、円筒状の前記推力付与部の内周面であり、
    　前記推力受面は、円筒状の前記推力付与部の内側に配置された前記推力受部の球状の先端部の外表面であることを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
  6. 　前記推力付与部および前記推力受部は、前記推力付与部の突出方向に互いに反発する永久磁石を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のステージ装置。
  7. 　前記移動ステージは、前記推力付与部を前記移動方向に移動させるアクチュエータを備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のステージ装置。
  8. 　前記推力付与部と前記推力受部との接触を検知する接触センサを備えることを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
  9. 　前記接触センサの出力信号に基づいて前記浮上機構を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項８に記載のステージ装置。
  10. 　前記制御部は、前記支持ステージの位置および姿勢の指令値および現在値が入力されるサーボ制御器と、前記指令値と前記現在値との偏差および前記接触センサの出力信号が入力される学習制御器とを備え、
    　前記学習制御器は、前記偏差を小さくするように前記サーボ制御器の出力値を補正する補正値を出力することを特徴とする請求項９に記載のステージ装置。
  11. 　前記推力付与部および前記推力受部は、互いに反発する永久磁石を備え、
    　前記推力付与部が前記推力受部に接近したときに、前記永久磁石の反発力によって前記推力付与部が前記推力受部に前記推力を加えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
  12. 　対象物の位置決めを行うステージ装置を備えた荷電粒子線装置であって、
    　前記ステージ装置は、位置決めを行う対象物を支持する支持ステージと、該支持ステージを磁気により浮上させて位置決めする浮上機構と、該浮上機構を平面に支持して該平面に沿う移動方向に移動させる移動ステージと、を備え、
    　前記移動ステージは、前記支持ステージに向けて突出する推力付与部を有し、
    　前記支持ステージは、前記推力付与部に対して前記移動方向に間隔をあけて対向する推力受部を有し、
    　前記移動ステージが前記移動方向に移動して前記推力付与部が前記推力受部に接触または接近したときに、前記推力付与部が前記推力受部に前記移動方向の推力を加えるように構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　対象物の位置決めを行うステージ装置と、該ステージ装置を収容する真空チャンバとを備えた真空装置であって、
    　前記ステージ装置は、位置決めを行う対象物を支持する支持ステージと、該支持ステージを磁気により浮上させて位置決めする浮上機構と、該浮上機構を平面に支持して該平面に沿う移動方向に移動させる移動ステージと、を備え、
    　前記移動ステージは、前記支持ステージに向けて突出する推力付与部を有し、
    　前記支持ステージは、前記推力付与部に対して前記移動方向に間隔をあけて対向する推力受部を有し、
    　前記移動ステージが前記移動方向に移動して前記推力付与部が前記推力受部に接触または接近したときに、前記推力付与部が前記推力受部に前記移動方向の推力を加えるように構成されていることを特徴とする真空装置。
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